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利用精巧的電路確保便攜式設備的高品質(zhì)音質(zhì)
文章來(lái)源:永阜康科技 更新時(shí)間:2018/9/1 9:17:00
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摘要:本文分析影響耳機放大器性能的關(guān)鍵參數,包括:PSRR、上電瞬態(tài)抑制以及PCB接地。本文關(guān)注一個(gè)應用(耳機放大器),采用MAX9724與MAX9728耳機放大器。

對音頻設計人員的挑戰是制作與ASIC、處理器以及DC-DC轉換器配合使用的高性能、低噪聲模擬電路。例如,設想只影響典型音頻重放通路中一個(gè)元件—耳機驅動(dòng)器的問(wèn)題。

典型的耳機輸出在保持原始信號動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí),必須用幅值達1VRMS的信號驅動(dòng)低阻抗負載(典型值為32Ω;有時(shí)低至16Ω)。這個(gè)任務(wù)看起來(lái)簡(jiǎn)單,但進(jìn)一步分析就會(huì )發(fā)現它所面對一些嚴酷現實(shí):
  • 在單電源供電時(shí),耳機輸出必須保持該動(dòng)態(tài)范圍,而該電源電壓通常從DC-DC轉換器獲取,并與高速數字電路共用。
  • 根據這些電路的信號幅值與負載阻抗,從電源吸取的電流峰值可達90mA。
  • 關(guān)斷電源或耳機驅動(dòng)器時(shí),應當聽(tīng)不見(jiàn)咔嗒聲與瞬態(tài)雜音。

電源噪聲

為了實(shí)現合理的信噪比(SNR),必須抑制電源噪聲對耳機放大器輸出的影響,并且耳機驅動(dòng)器的電源抑制(PSRR)是降低信噪比的關(guān)鍵。

例如,基于CD或DVD信號的動(dòng)態(tài)范圍可能超過(guò)90dB。假定音頻電源電壓上存在100mV的噪聲,其頻譜成分的絕大部分位于音頻帶寬以?xún),為了維持90dB動(dòng)態(tài)范圍,必須將耳機輸出的噪聲降低至30µV左右。為了達到這一目的,在感興趣的頻率點(diǎn)耳機驅動(dòng)器的PSRR必須超過(guò)70dB。

要在音頻頻帶獲得上述電源抑制,必須采用考慮周全的設計方案,使放大器對音頻范圍內的電源噪聲提供一定的抑制能力。瀏覽絕大多數運放的數據資料后會(huì )發(fā)現,PSRR在接近直流處通常較高,而隨著(zhù)頻率增加,將急劇下降(通常是-20dB/十倍頻程)。在20kHz處,一些器件的PSRR低于40dB。

一些DC-DC轉換器在音頻頻譜的上端產(chǎn)生更高的噪聲成分。盡管可以證實(shí)在那些頻率上聽(tīng)得到的成分很少,但是仍然可以在耳機輸出端測量到噪聲。請注意,關(guān)于內置耳機驅動(dòng)器的音頻DAC或CODEC,絕大多數數據資料不會(huì )吸引讀者關(guān)注PSRR指標。即使提及,也通常以電氣特性中的一個(gè)條目出現,而不會(huì )給出PSRR隨頻率的變化曲線(xiàn)。

由于絕大多數耳機放大器都不能提供足夠的PSRR,可以加入外部低壓差(LDO)穩壓器來(lái)凈化耳機放大器的電源。例如,為了在筆記本PC的音頻輸出端獲得足夠的PSRR,其中+5V仍然是通用的音頻電路電源電壓,而特定的節點(diǎn)通常被調節到4.7V左右。

采用
MAX9724MAX9728這樣的IC能夠提高PSRR,其值遠高于用其它方法獲得的PSRR。這些耳機放大器對器件內部的關(guān)鍵節點(diǎn)進(jìn)行內部微調,無(wú)需額外的LDO。

雜音抑制

雜音抑制是衡量IC能力的另一指標,也就是將IC靜音或上電(或斷電)時(shí)出現的突發(fā)性噪音或瞬態(tài)噪音減小到最小的能力。很難在輸出驅動(dòng)器中獲得這樣的性能,這是因為對輸出驅動(dòng)器來(lái)說(shuō),沒(méi)有下游電路可以被靜音,從而屏蔽出現的異常信號。若插入了耳機,那么無(wú)論用什么驅動(dòng)都不可避免的造成音頻系統的瞬變性能。

耳機驅動(dòng)器通常采用單電源供電,其輸出通過(guò)大隔直流電容交流耦合至插孔,如圖1所示。這樣的安排可以防止耳機兩端出現直流電壓。正常工作過(guò)程中,由于電容的耳機側是地電勢,而放大器輸出直流偏置約為電源電壓的一半,因此隔直電容兩端有直流電壓。電源首次上電時(shí),必須將電容充電至直流工作電壓,但是充電電流還是必然流經(jīng)負載(耳機音頻線(xiàn)圈)。那么用什么方法才能防止該電流產(chǎn)生雜音信號呢?


圖1. 該電路是用于單電源產(chǎn)品中耳機驅動(dòng)器的典型配置,其中包括串聯(lián)電容,與耳機阻抗一起構成了高通濾波器(為了阻斷來(lái)自耳機的DC所必需的)。

有些設計使用放大器輸出周邊的JFET與分立元件抑制充電電流,有些電路則提供RC時(shí)間常數減緩導通時(shí)的瞬變,該方法通過(guò)降低干擾頻率的含量,減少干擾因素。有的產(chǎn)品采用了背對背指數斜坡(S形)進(jìn)一步抑制上電引起的雜音。與RC指數方法不同的是,這種抑制方式不會(huì )引起dv/dt的突變。

由于輸出電容需要對GND放電,因此斷電時(shí)的瞬變更難解決。放大器怎么才能在沒(méi)有電源的情況下控制輸出電容的放電?

一種不同的方法

理想的方法是完全省去輸出電容,從而消除流經(jīng)耳機音頻線(xiàn)圈的充電或放電的影響。例如通過(guò)為耳機驅動(dòng)提供直流耦合、0V輸出偏置,并用雙極性電源為放大器供電,就可以省去這些電容。但是絕大多數電池供電設計都受單端電源的限制,這種情況下有如下選擇。

一種選擇是使用第三個(gè)放大器將耳機返回端偏置在電源電壓的中間位置,這樣就產(chǎn)生了“偽0V”輸出偏置。由于主立體聲放大器的偏置也是滿(mǎn)擺幅的一半,于是可以省去直流耦合電容。因此,第三個(gè)放大器必須具備從兩個(gè)主放大器吸取并提供電流的能力,并足以處理任何耳機插頭(插孔管套需要與機殼隔離)插入時(shí)的ESD放電。

另一種選擇是利用提供的正電源產(chǎn)生專(zhuān)用的負電源,或使用傳統的產(chǎn)生負電源的耳機放大器(圖2)。對于后者來(lái)說(shuō),ESD與接地都不成問(wèn)題,并且額外的電壓幅度使輸出電壓峰-峰值幾乎翻倍—采用+3V或小于+3V電源供電時(shí),這是很有用的。


圖2. 為了實(shí)現放大器的雙電源供電,板上電荷泵將正電源電壓反相。不再需要串聯(lián)電容,電荷泵所需的微型陶瓷電容極大地減小了PCB的面積。

MAX9724/MAX9728耳機放大器通過(guò)正電源引腳產(chǎn)生內部負電源。由于放大器的直流輸出偏置為0V,因此不需要輸出隔直流電容。內部鎖定電路防止由于電源電壓過(guò)低或上電、斷電過(guò)程引起的偽操作,因此沒(méi)有雜音。由于放大器輸出電壓擺幅幾乎是單電源電壓的兩倍,因此還可以獲得其它優(yōu)點(diǎn),包括更大的信號擺幅以及更大的輸出功率。

進(jìn)一步的障礙

目前正在進(jìn)行的設計在產(chǎn)品投放市場(chǎng)之前通常會(huì )做出許多妥協(xié)。例如,ESD的要求可能需要在耳機驅動(dòng)器與插孔之間有磁珠或其它EMC措施。這些元件在音頻范圍內可能構成很大的阻抗,可能引起串擾問(wèn)題與輸出功率損耗。不過(guò),仔細的設計與Kelvin測量技術(shù)可以再現良好的音頻性能。耳機返回電流也需要考慮。電流增加到100mA時(shí),地平面或PCB引線(xiàn)上有限的阻抗可能產(chǎn)生顯著(zhù)的IR跌落,也會(huì )導致輸出功率降低以及較差的通道隔離性。類(lèi)似的機制在與DC-DC轉換器共地時(shí)會(huì )使SNR變差。使用專(zhuān)門(mén)的返回引線(xiàn)或覆銅會(huì )有所幫助。
 
 
 
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